武田家不斷地對外擴張時，德川家康也在積極想辦法應對。首先，德川家康攀上了織田信長，甚至不惜殺妻滅子來討好織田信長。另外，德川家康誘使武田前線的長筱城城主奧平信昌投靠了自己，甚至後來把自己的長女嫁給了奧平氏。奧平信昌投靠德川家之後，開始大規模建造工事，長筱城搖身一變，成了德川家的駐軍基地，同時，也成為策動武田家將領倒戈的一個基地。
武田勝賴對此突發變故，十分震怒。日本天正三年，也就是公元1575年，武田勝賴親率一萬五千人馬，入侵三河，包圍了長筱城。此時的武田家，還有很多當年跟隨信玄的勇將。他們的主力更是令人敬畏的戰國時代最強騎兵部隊。當時日本的戰馬都是體型矮小的日本原生馬，不是後來才有的東洋大馬。原生戰馬雖然個頭不大，但仍然十分健碩。一個武士所要配備的甲冑、武器超過六十公斤，再加上武士自身的體重，馬匹仍然能夠承擔負荷，使武士縱橫戰場。武田的騎兵採取步騎並進的戰法：步行的武士，先用弓箭、火槍射擊，等敵人的反擊受到壓制之後，再用長槍進攻；騎兵趁敵陣混亂的時候肆意踐踏。武田信玄大力發展騎兵，並以騎兵為作戰主力，因此武田騎兵天下無敵。勝賴蕭規曹隨，完全繼承了父親的這套戰法。
武田勝賴親率一萬五千大軍進攻長筱城時，長筱城的守軍只有五百。雖然長筱城建在兩河匯成的臺地上，是一座天然要塞，但是面對數十倍於己的敵軍，城池陷落是早晚的事兒。值此危急存亡之際，城中派了一個叫鳥居強右衛門的武士突出重圍，來到德川家康處請求援軍。德川家康答應儘快出兵，但是鳥居強右衛門在回城報信的途中，被武田軍俘獲，武田軍命令他對著長筱城大喊，說德川援軍不會來，只要這麼喊，就饒你一命。可是鳥居強右衛門不辱使命，朝著城門大喊：「家康公的援軍三天後就會趕到，你們一定要死守城池。」城內士兵聽到後士氣大振。武田軍大怒，一刀就把鳥居強右衛門給砍了。
德川家康知道自己恐怕也不是武田軍的對手，當年被武田信玄打得拉一褲襠的記憶很深刻，所以就向大老闆織田信長求救。織田信長覺得這是徹底擊潰武田家的機會，就派自己的嫡子織田信忠率軍前往增援。織田信長為了不損傷兵力，成功制敵，考慮到甲斐武田家的騎兵無敵於天下，決定採用火槍兵和防馬柵欄結合的戰術，一舉打敗武田家。織田信長動員了兩萬七千人馬，大多數士兵手裡都拿著木頭和繩索做的防馬柵欄。德川家康也動員了七千士兵，兩家兵力相加超過了三萬，比對方多一倍。再加上大量的火槍兵，足以使織田信長確信可以打敗敵人。
在戰端開啟之前，織田、德川聯軍就已經出動部隊奇襲了防衛武田軍後方的山寨，武田軍提供後勤給養的老窩被人端了。事情發展到這一步，本來還能主動選擇開戰時機的武田軍，陷入了不得不跟聯軍馬上進行主力決戰的境地。武田家的老將們，通過偵查織田、德川聯軍的陣勢，覺得敵人的兵力過於強大，防守過於嚴密，一致建議主公別打了，撤退。武田勝賴不但拒絕撤退，還下達了全軍進攻的命令。當時擔任武田軍前鋒的是號稱武田軍中頭號勇將的山縣昌景。山縣昌景身高只有一米四七，號稱日本當時第一騎兵大將。他善於將騎兵布置於全軍後方位置，先派步兵前進，以弓箭、火槍、投石器打亂敵人的橫隊，然後騎兵再發起進攻。但是他沒有想到的是，武田軍百戰百勝、屢試不爽的戰術這次失靈了。聯軍步步後退，把武田軍引到了防馬柵欄前面。
織田信長嚴令士兵不許跨出柵欄之外，等到敵方接近柵欄的時候開槍射擊。當時織田、德川軍的火槍大概有三千多支，山縣昌景率軍衝到柵欄前，縱馬揚鞭，橫踢馬腹，手下的騎兵一律身穿鮮紅的盔甲，號稱赤備，個個英勇過人。可惜等著他們的卻是聯軍不間斷的火槍射擊，只見周身鮮紅的騎士接二連三地中槍落馬。那會兒的槍，裝彈速度慢，射擊速度也慢，打五槍就不響了。但是織田信長把火槍手分為三隊，一隊攻擊，一隊點火，剩下一隊填充彈藥，這就是所謂的三段式射擊法。火槍隊連續不斷地發射，徹底顛覆了以往的作戰方式。山縣昌景衝進防馬柵欄的時候，還來不及拔出寶刀，就已經渾身被打成了篩子眼兒，血流滿地，倒地身亡。一時間，武田軍的騎兵簡直就成了槍靶子。山縣昌景戰死後，繼續進攻的是武田信廉，也就是勝賴的叔叔，信玄死後的影武者。他的部下同樣遭到聯軍的火槍攻擊，傷亡超過半數。隨後一連五隊發起進攻的武田騎兵都被打得大敗。從早上六點開始決戰，打了將近八個小時，武田軍一共發起了十九次進攻，只是徒然增加傷亡人數而已。戰場上，武田軍死屍遍地，血流漂杵，最後武田勝賴戰敗逃脫。武田家陣亡了六員大將，一萬名戰士。此次戰鬥，聯軍一改過去日本以刀馬、長槍為主的作戰方式，取得大勝，再一次證明了新式武器的強大。
長筱合戰，武田軍幾乎全軍覆沒，至此武田家開始走下坡路了。七年後，也就是公元1582年，織田信長決定向武田勝賴佔據的據點甲斐和信濃髮動攻勢。織田信長在好幾年前，就暗中接觸武田家的有力家臣，拉攏他們叛變。由於在長筱合戰中，武田軍慘敗，武田家的家臣也有所動搖，不少人都投到了織田一方，武田家眾叛親離，連武田家的主城都已經被織田家佔領了。武田勝賴只好攜妻帶子，倉皇出逃。跟著他的人是走一路跑一路，最後只剩下了不到一百人，許多起初信誓旦旦保護他的家臣，到最後也紛紛加入到了討伐他的一方。武田勝賴一行人逃到天目山的時候，只有四十多名武士還在跟隨。這四十多人與一路追殺的五百織田軍奮勇廝殺，想為主公逃生拖延時間。勝賴知道大勢已去，無心再逃，準備剖腹自盡。臨死的時候，他跟自己的兒子說：「你逃出去，繼承武田家的家業。」他兒子當時有十六歲，已經成人，小夥子慷慨地表示：「咱們一家還是滅絕了的好，別給甲斐源氏丟人了。堂堂源義光之後，清河天皇苗裔流落到民間，跟個老百姓一樣，沒有任何意義。」最終，武田勝賴全家自盡，甲斐武田家四百年基業就此完結。